專利名稱：一種Al₂O₃-ZnO納米棒陣列復(fù)合電極的制備方法
一種AI2O3-ZnO納米棒陣列復(fù)合電極的制備方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種通過(guò)引入氧化鋁保護(hù)層來(lái)提高 氧化鋅電極在進(jìn)行染料敏化過(guò)程中的抗酸腐蝕性的方法，涉及一種高穩(wěn)定性的染料敏化太 陽(yáng)能電池陽(yáng)極的制備方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，ZnO納米材料以其優(yōu)異的性能，在納米結(jié)構(gòu)器件領(lǐng)域備受研究者關(guān)注。在 紫外發(fā)光器件、場(chǎng)發(fā)射器件、壓電轉(zhuǎn)換器、傳感器等方面有廣闊的應(yīng)用前景。(M. H. Huang， S. Mao, H. Feick, H. Q. Yan, Y. Y. Wu, H. Kind, Ε. Weber, R. Russo, P. D. Yang, Science 292 (2001) 1897 ；Y. H. Huang, X. D. Bai，Y. Zhang, J. Phys. Condens. Matter 18 (2006) 179 ； X. D. Wang, J. H. Song, J. Liu, Z. L. Wang, Science 316 (2007) 102 ；M. Law, L. E. Greene, J. C. Johnson, R. SaykalIy, P. D. Yang, Nat. Mater. 4 (2005) 455.)同時(shí)，人們也發(fā)現(xiàn) ZnO 納 米材料在染料敏化太陽(yáng)能電池這一領(lǐng)域也有著潛在優(yōu)勢(shì)。染料敏化太陽(yáng)能電池是由染料敏 化納米寬緊帶半導(dǎo)體薄膜為陽(yáng)極，鍍有催化劑的導(dǎo)電基底為對(duì)電極以及電解質(zhì)溶液構(gòu)成的 三明治式結(jié)構(gòu)。ZnO納米材料的制備方法多樣，且制備工藝條件簡(jiǎn)單，有望進(jìn)一步降低電池 成本。通過(guò)可控合成反應(yīng)可獲得大面積、形貌多樣的ZnO納米結(jié)構(gòu)，有利于對(duì)光陽(yáng)極的結(jié) 構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。(Z. Qin, Q. L. Liao, Y. H. Huang，L. D. Tang, Χ. H. Zhang，Y. Zhang，Mater. Chem. Phys. 123(2010)811 ；N. Ye, J. J. Qi, Z. Qi，X. M. Zhang，Y. Yang, J. Liu, Y. Zhang，J. Power Sources 195 (2010) 5806 ；M. Law, L E. Greene，J. C. Johnson, R. SaykalIy, P. D. Yang，Nat. Mater. 4 (2005) 455.)特別是準(zhǔn)一維ZnO納米結(jié)構(gòu)可以為電子傳輸提供直線傳播路徑，從而 減少電子在傳播過(guò)程中的損失，最終實(shí)現(xiàn)電池轉(zhuǎn)化效率的提高。
目前，基于ZnO納米棒陣列的染料敏化太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率的提高受到了一定 的限制。其中較為主要的原因在于商用化的帶有-C00H的聯(lián)吡啶絡(luò)合物染料的應(yīng)用。這 些染料在溶液中顯現(xiàn)酸性，不僅會(huì)對(duì)ZnO納米材料的表面造成腐蝕，而且會(huì)產(chǎn)生一種Zn2+/ dye配合物。這種配合物的產(chǎn)生會(huì)嚴(yán)重影響染料敏化太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率。目前也有一些 研究者試圖通過(guò)引入一些其它化合物的手段來(lái)阻止酸性染料對(duì)基于ZnO納米材料電池性 能的降低，但是這些手段并未取得顯著的改善效果。(M. Law, L. Ε. Greene, A. Radenovic, Τ. Kuykendal 1, J. Liphardt, P. D. Yang, J. Phys. Chem. B 110(2006)22652 ；S. H. Kang, J. Y. Kim, Y. Kim, H. S. Kim, Y. E. Sung, J. Phys. Chem. C 111(2007)9614 ；Y. J. Shin, K. S. Kim, N. G. Park, K. S. Ryu, S. H. Chang, Bull. Korean Chem. Soc. 26 (2005) 1929 ；X. J. Wang, M. K. Lei，T. Yang, L. J. Yuan, J. Mater. Res. 18 (2003) 2401.)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種通過(guò)引入氧化鋁保護(hù)層來(lái)提高氧化鋅電極在進(jìn)行染料 敏化過(guò)程中的耐酸腐蝕性的方法，制備出一種高穩(wěn)定性的Al2O3-ZnO納米棒陣列復(fù)合染料 敏化太陽(yáng)能電池陽(yáng)極。
一種Al2O3-ZnO納米棒陣列復(fù)合電極的制備方法。采用水熱法在導(dǎo)電基底上生長(zhǎng) 了 ZnO納米棒陣列；利用旋轉(zhuǎn)涂覆法在ZnO納米棒陣列表面復(fù)合一層Al2O3薄膜。選擇適當(dāng) 的工藝參數(shù)來(lái)獲得在敏化過(guò)程中耐酸性強(qiáng)、電極性能優(yōu)良的Al2O3-ZnO納米棒陣列復(fù)合電 極。具體工藝步驟如下
1.將等摩爾數(shù)的Si(NO3)2和(CH2)6N4溶解于去離子水中配制成濃度為0.05 0. 2M的反應(yīng)溶液。
2.將鍍有100 200nm厚的SiO晶種層的導(dǎo)電基片作為生長(zhǎng)基底，直接放入上述 溶液中，在80 100°C下密封反應(yīng)12 M小時(shí)。
3.反應(yīng)結(jié)束后，將基片取出。用去離子水反復(fù)沖洗，烘干后可以看到基片上形成了 均勻白色薄膜，此薄膜即為所制得的ZnO納米棒陣列。
4.將異丙醇鋁與蒸餾水配置成的摩爾數(shù)比為1 100 1 200的氧化鋁溶膠。
5.取0. 1毫升的上述氧化鋁溶膠滴于已制得的ZnO納米棒陣列表面。將旋轉(zhuǎn)速度 設(shè)置為低速1000轉(zhuǎn)/分、高速3000轉(zhuǎn)/分。分別在低速檔旋轉(zhuǎn)10 15秒，在高速檔旋轉(zhuǎn) 15 20秒。重復(fù)本步涂覆步驟，直到獲得所需參數(shù)要求的均勻涂層。
6.將上述旋涂好的電極放入箱式爐中，在400 800°C區(qū)間熱處理30分鐘至1小 時(shí)，并自然冷卻至室溫。此電極即為所制得的Al2O3-ZnO納米棒陣列復(fù)合電極。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的基于ZnO染料敏化太陽(yáng)能電池電極的制備方法 有以下優(yōu)點(diǎn)
1.通過(guò)引入Al2O3保護(hù)層提高了 ZnO納米棒陣列電極在酸性染料中浸泡時(shí)的抗酸 腐蝕性，有效抑制了 SiO電極表面的腐蝕及ai2+/dye配合物的產(chǎn)生。
2.采用旋涂溶膠法工藝簡(jiǎn)單，可獲得表面均一、面積大的Al2O3薄膜涂層。
3.通過(guò)對(duì)溶膠的濃度、涂覆層數(shù)、燒結(jié)次數(shù)的調(diào)整可合理控制Al2O3薄膜涂層的厚度。
4.利用該復(fù)合電極組裝的染料敏化太陽(yáng)能電池的性能得到了極大的穩(wěn)定。


圖1為本發(fā)明采用水熱反應(yīng)法制備的大面積ZnO納米棒陣列的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡照 片。所得陣列尺寸均一、面積大、取向性高。
圖2為本發(fā)明采用旋轉(zhuǎn)涂覆法制備的大面積Al2O3-ZnO納米棒陣列復(fù)合電極表面 的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡照片。
圖3為本發(fā)明制備的大面積Al2O3-ZnO納米棒陣列復(fù)合電極的能譜分析。
圖4為本發(fā)明利用制備的大面積Al2O3-ZnO納米棒陣列復(fù)合電極組裝的染料敏化 太陽(yáng)能電池的在不同敏化時(shí)間下的性能曲線。該曲線反應(yīng)了本發(fā)明制備的電極在敏化過(guò)程 中具有著優(yōu)異的耐酸腐蝕性能。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明
實(shí)例1
1.用離子水將等摩爾數(shù)的化學(xué)純硝酸鋅與六次甲基四胺溶解配制成摩爾濃度為0. 05mol/L的反應(yīng)溶液。
2.將5片鍍有IOOnm厚的ZnO薄膜作為晶種層的FTO導(dǎo)電玻璃切割成2cmX Icm 大小作為生長(zhǎng)基底，直接放入上述溶液中，在95°C下密封反應(yīng)M小時(shí)。
3.反應(yīng)結(jié)束后，將基片取出。先用去離子水反復(fù)沖洗，烘干后可以看到基片上形成 了均勻的白色半透明薄膜，此薄膜即為所制得的ZnO納米棒陣列。
4.將異丙醇鋁與蒸餾水配置成的摩爾數(shù)比為1 200的氧化鋁溶膠。
5.取0.1毫升的上述氧化鋁溶膠分別滴于5片ZnO納米棒陣列電極表面。隨后 在1000轉(zhuǎn)/分的低速檔旋轉(zhuǎn)10秒，在3000轉(zhuǎn)/分高速檔旋轉(zhuǎn)15秒。并將上述旋涂過(guò)程 再重復(fù)2次，可在ZnO陣列上獲得表面均一的膠體層。
6.將上述旋涂好的電極放入箱式爐中，在500°C下退火處理30分鐘，并自然冷卻 至室溫。此電極即為所制得的Al2O3-ZnO納米棒陣列復(fù)合電極。
實(shí)例2
1.用離子水將等摩爾數(shù)的硝酸鋅與六次甲基四胺溶解配制成摩爾濃度為 0. 15mol/L的反應(yīng)溶液。
2.將5片鍍有IOOnm厚的ZnO薄膜作為晶種層的FTO導(dǎo)電玻璃切割成2cmX2cm 大小作為生長(zhǎng)基底，直接放入上述溶液中，在80°C下密封反應(yīng)12小時(shí)。
3.反應(yīng)后取出基片。可在基片上獲得均勻的白色半透明薄膜，此薄膜即為所制得 的SiO納米棒陣列。
4.將異丙醇鋁與蒸餾水配置成的摩爾數(shù)比為1 200的氧化鋁溶膠。
5.取0.1毫升的上述氧化鋁溶膠分別滴于5片ZnO納米棒陣列電極表面。隨后 在1000轉(zhuǎn)/分的低速檔旋轉(zhuǎn)10秒，在3000轉(zhuǎn)/分高速檔旋轉(zhuǎn)15秒。并將上述旋涂過(guò)程 再重復(fù)2次，可在ZnO陣列上獲得表面均一的膠體層。
6.將上述旋涂好的電極放入箱式爐中，在500°C下退火處理30分鐘，并自然冷卻 至室溫。此電極即為所制得的Al2O3-ZnO納米棒陣列復(fù)合電極。
實(shí)例3
1.用離子水將等摩爾數(shù)的硝酸鋅與六次甲基四胺溶解配制成摩爾濃度為 0. 05mol/L的反應(yīng)溶液。
2.將5片鍍有IOOnm厚的ZnO薄膜作為晶種層的鋁片璃切割成2cmX Icm大小作 為生長(zhǎng)基底，直接放入上述溶液中，在95°C下密封反應(yīng)M小時(shí)。
3.反應(yīng)后取出基片。可在基片上獲得均勻的乳白色薄膜，此薄膜即為所制得的 ZnO納米棒陣列。
4.將異丙醇鋁與蒸餾水配置成的摩爾數(shù)比為1 200的氧化鋁溶膠。
5.取0.1毫升的上述氧化鋁溶膠分別滴于5片ZnO納米棒陣列電極表面。隨后 在1000轉(zhuǎn)/分的低速檔旋轉(zhuǎn)15秒，在3000轉(zhuǎn)/分高速檔旋轉(zhuǎn)15秒。并將上述旋涂過(guò)程 再重復(fù)2次，可在ZnO陣列上獲得表面均一的膠體層。
6.將上述旋涂好的電極放入箱式爐中，在500°C下退火處理45分鐘，并自然冷卻 至室溫。此電極即為所制得的Al2O3-ZnO納米棒陣列復(fù)合電極。
權(quán)利要求
1.一種Al2O3-ZnO納米棒陣列復(fù)合電極的制備方法，其特征是具體工藝步驟如下a.將等摩爾數(shù)的Si(NO3) 2和(CH2) 6N4溶解于去離子水中配制成濃度為0. 05 0. 2M的 反應(yīng)溶液；b.將鍍有SiO晶種層的導(dǎo)電基底作為生長(zhǎng)基底，直接放入上述溶液中，在80 100°C 進(jìn)行反應(yīng)12 M小時(shí)，從而獲得ZnO納米棒陣列電極；c.用旋轉(zhuǎn)涂覆法將氧化鋁溶膠涂覆于ZnO納米棒陣列電極表面，經(jīng)過(guò)熱處理后得到 Al2O3-ZnO納米棒陣列復(fù)合電極。
2.如權(quán)利要求1所述的一種Al2O3-ZnO納米棒陣列復(fù)合電極的制備方法，其特征是生 長(zhǎng)基底為鍍有100 200nm厚的ZnO薄膜的導(dǎo)電玻璃、金屬或化合物導(dǎo)電薄膜的導(dǎo)電基底。
3.如權(quán)利要求1所述的一種Al2O3-ZnO納米棒陣列復(fù)合電極的制備方法，其特征是步 驟(c)所述氧化鋁溶膠中鋁元素與水的摩爾數(shù)比為1 100 1 200。
4.如權(quán)利要求1所述的一種Al2O3-ZnO納米棒陣列復(fù)合電極的制備方法，其特征是步 驟(c)所述旋轉(zhuǎn)涂覆法的旋涂速度設(shè)置為低速1000轉(zhuǎn)/分、高速3000轉(zhuǎn)/分；分別在低速 檔旋轉(zhuǎn)10 15秒，在高速檔旋轉(zhuǎn)15 20秒反復(fù)涂覆；重復(fù)本步涂覆步驟，直到獲得所需 參數(shù)要求的均勻涂層。
5.如權(quán)利要求1所述的一種Al2O3-ZnO納米棒陣列復(fù)合電極的制備方法，其特征是步 驟(c)所述涂覆后熱處理溫度在400 800°C區(qū)間，熱處理時(shí)間為0. 5 1小時(shí)，并自然冷 卻至室溫。
全文摘要
一種Al2O3-ZnO納米棒陣列復(fù)合電極的制備方法，屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域。具體工藝步驟為a.將等摩爾數(shù)的Zn(NO3)2和(CH2)6N4溶解于去離子水中配制成濃度為0.05～0.2M的反應(yīng)溶液；b.將鍍有ZnO晶種層的導(dǎo)電基底作為生長(zhǎng)基底，直接放入上述溶液中，在80～100℃進(jìn)行反應(yīng)12～24小時(shí)，從而獲得ZnO納米棒陣列電極；c.用旋轉(zhuǎn)涂覆法將氧化鋁溶膠涂覆于ZnO納米棒陣列電極表面，經(jīng)過(guò)熱處理后得到Al2O3-ZnO納米棒陣列復(fù)合電極。本發(fā)明有效抑制了ZnO電極表面的腐蝕及Zn2+/dye配合物的產(chǎn)生；采用旋涂溶膠法工藝簡(jiǎn)單，可獲得表面均一、面積大的Al2O3薄膜涂層；通過(guò)對(duì)溶膠的濃度、涂覆層數(shù)、燒結(jié)次數(shù)的調(diào)整可合理控制Al2O3薄膜涂層的厚度。利用該復(fù)合電極組裝的染料敏化太陽(yáng)能電池的性能得到了極大的穩(wěn)定。
文檔編號(hào)H01M14/00GK102034612SQ20101057534
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月1日
發(fā)明者廖慶亮, 張躍, 張錚, 秦子, 黃運(yùn)華 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)